城軌交通客流安全監(jiān)控與應(yīng)急管理系統(tǒng)研究

王愛(ài)麗

（中國(guó)鐵路信息科技有限責(zé)任公司，北京 100038）

0 引言

如何動(dòng)態(tài)監(jiān)控城軌交通客流，智能檢測(cè)、識(shí)別客流安全問(wèn)題，并根據(jù)實(shí)際情況采取應(yīng)急措施，以保障站內(nèi)客流高效安全集散，防止突發(fā)事件發(fā)生，已成為城軌交通運(yùn)營(yíng)的核心問(wèn)題[1]，對(duì)其開(kāi)展研究具有重大現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)城軌交通客流安全問(wèn)題進(jìn)行了廣泛探索，從城軌交通運(yùn)行機(jī)制、客流安全管理的重要性、突發(fā)事件的應(yīng)急管理及事故發(fā)生的善后管理等多個(gè)角度展開(kāi)研究[2-8]，研究焦點(diǎn)集中在視頻監(jiān)控、應(yīng)急救援、緊急狀態(tài)疏散、突發(fā)事件處理、安全狀態(tài)評(píng)估和預(yù)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)上。然而，智能的客流信息檢測(cè)和識(shí)別、有效的事前安全預(yù)警、精確可靠的應(yīng)急預(yù)案以及應(yīng)急處置效果追蹤等技術(shù)還不夠完善，客流監(jiān)控仍要通過(guò)人工、高強(qiáng)度的不間斷觀察來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控與應(yīng)急響應(yīng)仍不能完美銜接，應(yīng)急響應(yīng)處置過(guò)程只能被動(dòng)回應(yīng)，缺乏一定的主動(dòng)控制性和應(yīng)對(duì)性[9-10]。在此，基于視頻圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)據(jù)處理、語(yǔ)義描述等技術(shù)，提出并構(gòu)建面向城軌交通的客流安全監(jiān)控與應(yīng)急管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)），為城軌交通的智能化管理、決策、預(yù)警等提供基礎(chǔ)支撐。

1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合城軌交通車站特有的管理需求和安全應(yīng)急的相關(guān)規(guī)定，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)據(jù)處理和管理等技術(shù)[11-12]，搭建客流安全監(jiān)控與應(yīng)急管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），為城軌交通車站安全管理的信息化、自動(dòng)化和規(guī)范化提供輔助支撐。系統(tǒng)采用5層分級(jí)的體系結(jié)構(gòu)，由上至下分別為視頻信息獲取、交通信息獲取、數(shù)據(jù)處理和管理、應(yīng)急預(yù)警、疏散與決策支持[13]。

（1）視頻信息獲?。涸搶邮钦麄€(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)在城軌交通的站臺(tái)、站廳、換乘通道、出入口等主要人流聚集區(qū)域部署監(jiān)控裝備，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域客流視頻采集。該層又細(xì)分為視頻圖像獲取、壓縮、傳輸、解壓縮4層，實(shí)現(xiàn)視頻信息的獲取。

（2）交通信息獲?。涸搶永糜?jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能等技術(shù)對(duì)前端獲取的客流視頻信息進(jìn)行智能分析，提取視頻中的有效信息，對(duì)各監(jiān)控點(diǎn)客流信息進(jìn)行智能檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別，統(tǒng)計(jì)重點(diǎn)區(qū)域的客流數(shù)據(jù)，如客流人數(shù)、流量、密度、速度等，為客流安全狀態(tài)分析、事前安全預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）數(shù)據(jù)處理和管理：該層負(fù)責(zé)對(duì)采集數(shù)據(jù)的寫入、讀取和編輯，能夠?qū)煌〝?shù)據(jù)進(jìn)行分類、編碼、儲(chǔ)存、檢索、維護(hù)和共享等；同時(shí)，采用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，深入挖掘和推演突發(fā)事件或點(diǎn)、線客流變化后線網(wǎng)客流分布情況，分析出入站交通流波形規(guī)律和高峰客流量與站點(diǎn)、線路之間的關(guān)系，預(yù)判事態(tài)發(fā)展，實(shí)時(shí)識(shí)別出站內(nèi)的瓶頸點(diǎn)和異常事件，并對(duì)客流信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，可視化展示客流傳播的時(shí)空分布過(guò)程和潛在安全隱患等信息。

（4）應(yīng)急預(yù)警：該層建立各種異常事件的安全狀態(tài)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，并將監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)與制定的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)或歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)將各類事故發(fā)生的情況以不同顏色顯示預(yù)警信號(hào)，并通過(guò)圖形、聲音等方式對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行推送和發(fā)布，從而有效進(jìn)行事前預(yù)警。

（5）疏散與決策支持：該層對(duì)發(fā)生的異常事件進(jìn)行總結(jié)、分析和評(píng)估，采用相應(yīng)的應(yīng)急模擬演練等技術(shù)，進(jìn)一步完善和更新應(yīng)急預(yù)案的制定與管理，實(shí)現(xiàn)救援程序和措施的改進(jìn)，應(yīng)急觸發(fā)規(guī)則的管理，預(yù)案的快速檢索、生成、發(fā)布及基于歷史記錄的自學(xué)習(xí)等功能。該層還支持城軌交通環(huán)境的遠(yuǎn)程高精度計(jì)算機(jī)重現(xiàn)，采用MR、VR等技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援真實(shí)環(huán)境的透徹感知，為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員救援提供遠(yuǎn)程救援指揮、輔導(dǎo)決策和應(yīng)急管理。

圖1 客流安全監(jiān)控與應(yīng)急管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

2 軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各模塊之間相互關(guān)聯(lián)，提供豐富的接口，以便系統(tǒng)的集成和運(yùn)行維護(hù)[14]。主要包括系統(tǒng)管理模塊、客流監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和應(yīng)急管理模塊。模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

（1）系統(tǒng)管理模塊：該模塊是維持整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的主要外層框架，主要包括系統(tǒng)的總體運(yùn)行邏輯管控和參數(shù)初始化，保證各模塊間的良好通信，是其他模塊功能運(yùn)行的基礎(chǔ)。

（2）客流監(jiān)控模塊：該模塊主要完成客流智能監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)事務(wù)，實(shí)現(xiàn)視頻圖像的采集和傳輸，并利用相關(guān)視頻圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域算法，自動(dòng)對(duì)交通場(chǎng)景底層、中層和高層語(yǔ)義信息進(jìn)行智能解析與處理[15]，實(shí)現(xiàn)客流信息的提取。其功能結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖2 系統(tǒng)軟件的模塊結(jié)構(gòu)

（3）數(shù)據(jù)管理模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)客流信息智能監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、共享、管理等。其功能結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖3 客流監(jiān)控模塊功能結(jié)構(gòu)

（4）應(yīng)急管理模塊：該模塊主要包括客流狀態(tài)分析評(píng)價(jià)、預(yù)警信息發(fā)布、客流誘導(dǎo)信息發(fā)布和客流應(yīng)急聯(lián)動(dòng)指揮與管理[2]等。應(yīng)急管理模塊工作流程見(jiàn)圖5。

圖4 數(shù)據(jù)管理模塊功能結(jié)構(gòu)

圖5 應(yīng)急管理工作流程

3 監(jiān)控對(duì)象與應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控對(duì)象結(jié)構(gòu)體

為了精準(zhǔn)地對(duì)城軌交通環(huán)境內(nèi)乘客行為進(jìn)行檢測(cè)，需定義監(jiān)控對(duì)象：行人。根據(jù)運(yùn)動(dòng)行人的占用空間將其用矩形框限定范圍，定義乘客信息Passenger_Info結(jié)構(gòu)體，Structure：Passenger_Info；結(jié)構(gòu)體描述：乘客對(duì)象結(jié)構(gòu)。Passenger_Info結(jié)構(gòu)體說(shuō)明見(jiàn)表1，可根據(jù)具體需求進(jìn)行定義。

表1 Passenger_Info結(jié)構(gòu)體說(shuō)明

3.2 應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的場(chǎng)景進(jìn)行具體分析，建立相關(guān)的交通場(chǎng)景知識(shí)庫(kù)[15]，為異常事件監(jiān)控提供一些先驗(yàn)知識(shí)，降低識(shí)別難度，能夠提高客流監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)乘客行為識(shí)別理解的正確率。

3.2.1 場(chǎng)景結(jié)構(gòu)劃分和語(yǔ)義描述

視頻圖像理解的直觀目的就是將場(chǎng)景中相應(yīng)目標(biāo)和區(qū)域進(jìn)行語(yǔ)義化描述。通過(guò)構(gòu)建交通場(chǎng)景內(nèi)各區(qū)域設(shè)施和目標(biāo)的視覺(jué)知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)后期的匹配推理，完成圖像的語(yǔ)義分析，視覺(jué)詞匯是進(jìn)行語(yǔ)義化分析的前提和基礎(chǔ)。

場(chǎng)景結(jié)構(gòu)會(huì)直間或間接影響識(shí)別對(duì)象的行為，如在檢票口，行人必須沿某一特定方向進(jìn)入。因此，在進(jìn)行異常行為識(shí)別與理解前，需對(duì)整個(gè)監(jiān)控應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分和語(yǔ)義描述。采用WordNet詞匯網(wǎng)和LHI標(biāo)準(zhǔn)[15]對(duì)交通場(chǎng)景內(nèi)各區(qū)域設(shè)施和目標(biāo)進(jìn)行語(yǔ)義描述，構(gòu)建交通場(chǎng)景內(nèi)各區(qū)域設(shè)施和目標(biāo)的視覺(jué)知識(shí)庫(kù)。首先將場(chǎng)景結(jié)構(gòu)劃分為目標(biāo)活動(dòng)區(qū)域和目標(biāo)作用對(duì)象，通過(guò)半監(jiān)督方式將所監(jiān)控的場(chǎng)景進(jìn)行合理劃分；然后采用WordNet標(biāo)準(zhǔn)命名場(chǎng)景設(shè)施和目標(biāo)語(yǔ)義信息。對(duì)一般城軌交通監(jiān)控場(chǎng)景，數(shù)據(jù)集語(yǔ)義描述見(jiàn)圖6。

圖6 監(jiān)控場(chǎng)景數(shù)據(jù)集語(yǔ)義描述

3.2.2 應(yīng)用場(chǎng)景目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和更新

通過(guò)建立城軌交通場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)，將相關(guān)場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)里，實(shí)時(shí)地為異常事件識(shí)別和行為理解提供參考信息。將所識(shí)別的場(chǎng)景分割成n個(gè)區(qū)域，將場(chǎng)景中各區(qū)域所對(duì)應(yīng)的像素用不同的標(biāo)識(shí)符號(hào)表示。對(duì)場(chǎng)景中的區(qū)域和設(shè)備，定義結(jié)構(gòu)體來(lái)描述。對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景的每個(gè)像素值建立結(jié)構(gòu)體變量描述其場(chǎng)景屬性，就可得到場(chǎng)景先驗(yàn)知識(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

由于場(chǎng)景結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)區(qū)域和某些固定設(shè)備，其特性一般是固定不變的，而對(duì)于一些可移動(dòng)設(shè)備，其特性隨著時(shí)間的變化而變化，因此需對(duì)這部分場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，即場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)的更新。

4 結(jié)束語(yǔ)

城軌交通客流安全監(jiān)控與應(yīng)急管理系統(tǒng)的建立與城軌運(yùn)行機(jī)制、相關(guān)支撐技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，應(yīng)對(duì)其合理的系統(tǒng)架構(gòu)及核心模塊功能等進(jìn)行研究。在此，采用5層分級(jí)的方法，提出一種合理的客流安全監(jiān)控與應(yīng)急管理體系架構(gòu)，并采用模塊劃分法，提出系統(tǒng)軟件架構(gòu)，重點(diǎn)研究和設(shè)計(jì)了客流監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和應(yīng)急管理模塊的功能結(jié)構(gòu)和工作流程；同時(shí)，結(jié)合城軌監(jiān)控對(duì)象和環(huán)境特征，采用結(jié)構(gòu)體定義、WordNet詞匯網(wǎng)和LHI標(biāo)準(zhǔn)，定義和設(shè)計(jì)了客流監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控主體行人Passenger_Info結(jié)構(gòu)體和城軌交通場(chǎng)景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為客流異常行為監(jiān)控提供一些先驗(yàn)知識(shí)。由于城軌交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)全方位的客流監(jiān)控和應(yīng)急管理自動(dòng)化需要循序漸進(jìn)，該系統(tǒng)可為客流安全管理的完善和綜合協(xié)調(diào)提供基礎(chǔ)支撐。